Nghiên cứu ứng dụng hệ polythiophene biến tính trong pin mặt trời hữu cơ

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CƠ QUAN CHỦ QUẢN CƠ QUAN CHỦ TRÌ NHIỆM VỤ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TĨM TẮT KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ POLYTHIOPHENE BIẾN TÍNH TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ” Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP HCM Chủ nhiệm nhiệm vụ: ThS Lưu Tuấn Anh Thành phố Hồ Chí Minh - 2018 MỤC LỤC MỞ ĐẦU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DANH MỤC CÁC KẾT QUẢ, SẢN PHẨM KHCN ĐÁNH GIÁ VỀ HIỆU QUẢ DO NHIỆM VỤ MANG LẠI KẾT LUẬN 10 KIẾN NGHỊ 11 MỞ ĐẦU Ngày lượng hóa thạch nguồn lượng cung cấp cho nhu cầu lượng giới, song ngày cạn kiệt hết thời gian khơng xa Việc sử dụng lượng hóa thạch gây vấn đề môi trường tượng biến đổi khí hậu nguy hiểm ảnh hưởng đến sống người Hiện có khoảng 20.1012kg CO2 đưa vào bầu khí trái đất năm, chủ yếu đốt cháy nhiên liệu hóa thạch Nồng độ CO2 khí cao làm gia tăng đáng kể hiệu ứng nhà kính nguyên nhân làm tăng nhiệt độ bề mặt trái đất Nhiệt độ bề mặt trái đất tăng 0.3-0.60C mực nước biển tăng 10-25cm tính từ cuối kỷ 19, theo dự đốn nhiệt độ trái đất tiếp tục tăng khoảng 0.6-7.00C vào năm 2100, cụ thể khoảng 20C vào năm 2050 Việc nhiệt độ trái đất gia tăng dẫn đến xuất nhiều tượng thiên tai mức độ nguy hiểm ngày trầm trọng hơn, tác động lớn đến môi trường sống người tương lai Cho nên vấn đề mơi trường biến đổi khí hậu trái đất vấn đề lượng Hình: Sơ đồ khối lượng phát thải khí CO2 nước Trang 1/11 Vì vậy, phải nhanh chóng tìm nguồn lượng phải “sạch” nhằm đáp ứng nhu cầu lượng ngày tăng Đó nguồn lượng tái tạo, vừa không cạn kiệt vừa không phá hủy môi trường lượng gió, sóng, thủy triều, địa nhiệt mặt trời Mỗi vùng, miền có ưu nguồn lượng phát triển nguồn lượng tái tạo Tuy nhiên nguồn lượng tái tạo quan tâm nguồn mặt trời với sản phẩm pin mặt trời ứng dụng hiệu ứng quang-điện để chuyển quang thành điện Hiện nay, pin lượng mặt trời vô đơn đa tinh thể silic thương mại hóa, phịng thí nghiệm pin lượng mặt trời vơ đạt hiệu suất tới 24%, gần tới giới hạn hiệu suất lý thuyết theo dự đoán 30% Như vậy, việc nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời chi phí thấp tốt việc nghiên cứu cơng nghệ chế tạo nâng cao hiệu suất chuyển đổi pin Một giải pháp giảm chi phí chế tạo pin lượng mặt trời vô thay đế wafer Si đế thủy tinh có phủ lớp màng mỏng Si Tuy nhiên, việc sản xuất pin mặt trời vơ cần quy trình cơng nghệ phức tạp tiêu tốn nhiều lượng với điều kiện nhiệt độ cao (400-14000C), áp suất chân không cao bước cơng nghệ quang khắc phức tạp có chi phí sản xuất cao So với pin mặt trời vơ cơ, pin mặt trời hữu có quy trình cơng nghệ đơn giản với cơng đoạn lượng tiêu tốn không cao công đoạn chế tạo thực điều kiện nhiệt độ thấp (20 – 2000C) mơi trường khí trơ, số cơng đoạn mơi trường khơng khí với điều kiện nhiệt độ phòng Pin lượng mặt trời hữu (pin mặt trời OSC) coi đối thủ có khả cạnh tranh với pin mặt trời vô tương lai Một loại pin mặt trời OSC nghiên cứu giới Trang 2/11 loại pin có lớp hoạt quang cấu trúc chuyển tiếp dị thể (Bulk Heterojunction – hay viết tắt BHJ) dựa chất cho điện tử polymer dẫn điện (donor) chất nhận điện tử (acceptor) đạt hiệu suất chuyển hóa lượng mặt trời thành điện khoảng 8% phòng thí nghiệm Thơng thường polymer sử dụng để chế tạo lớp hoạt quang cho pin mặt trời OSC dựa chất polymer dẫn điện thuộc hệ thiophene, 1,3,3-benzodiathiazoles, pyrrole, dithiophenes, benzo [1,2-b; 3,4-b] nhiều loại loại polymer dẫn điện biến tính cấu trúc hóa học khác Chất nhận điện tử thường sử dụng PCBM nghiên cứu rộng rãi thập niên qua hầu hết nhóm nghiên cứu giới sử dụng chất nhận điện tử PC61BM PC71BM Bên cạnh cũng có nhiều nỗ lực việc tổng hợp phát triển loại chất nhận điện tử khác PCBM, nhiên tất hợp chất nhận điện tử sử dụng làm lớp hoạt quang cho kết chuyển hóa khả phân tách điện tử thấp nhiểu so với PCBM PCBM biến tính Vì việc sử dụng PCBM cho tiến trình nghiên cứu pin mặt trời OSC xem yếu tố cố định thời điểm Để nâng cao khả thi cho việc ứng dụng pin mặt trời OSC tương lai cần có nhiều nghiên cứu nhằm cải tiến đặc tính chất lượng pin, nghiên cứu vật liệu, công nghệ chế tạo cấu trúc pin Việc nghiên cứu vật liệu tập trung vào hướng polymer dẫn điện có độ rộng vùng cấm thấp (nhỏ 2.2 eV) nhằm mục đích tăng khả hấp thụ photon từ ánh sáng mặt trời, đồng thời mức HOMO LUMO polymer dẫn điện phải gần với mức HOMO LUMO chất nhận điện tử PCBM Một yếu tố khác độ linh động điện tử polymer dẫn điện phải đạt khoảng 10-3cm2/V.s Việc tổng hợp tìm hợp chất polymer dẫn điện có kết hợp đầy đủ yếu Trang 3/11 tố thách thức lớn nhà hóa học giới Công nghệ chế tạo nghiên cứu theo hướng tối giản số quy trình thực hiện, giảm lượng tiêu thụ, nâng cao diện tích gia cơng hay suất chế tạo spin-coating, in lụa, roll-to-roll, tất nhằm mục tiêu giảm chi phí sản xuất Nghiên cứu cấu trúc pin mặt trời OSC có nhiều hướng cấu trúc đơn lớp, đa lớp hay cấu trúc dị thể (BHJ) hướng đến nâng cao hiệu phân tách exciton thành điện tử lỗ trống, nâng cao khả dịch chuyển hạt tải thu nhận hạt tải điện cực Kể từ việc khám phá polymer dẫn điện, loại polymers trở thành mảng nghiên cứu cho nhiều viện nghiên cứu từ hàn lâm công ty lớn giới Lĩnh vực nghiên cứu hỗ trợ cho phát triển ngành công nghiệp vật liệu thiết bị điện tử, polymer dẫn điện có tính chất đặt biệt so với polymer cách điện nhờ vào đặt tính quang điện Với mục tiêu nghiên cứu phát triển vật liệu thông minh, polymer dẫn điện vật liệu kỳ vọng, nghiên cứu phát triển Những ứng dụng bật polymer dẫn điện là: pin mặt trời polymer dẫn điện (polymeric solar cells, PSCs), bán dẫn hữu (organic field effect transistors, OFETs), hình OLED (polymeric light emmiting diodes), cảm biến (sensor), nhiều thiết bị điện tử sử dụng polymer dẫn điện Trong số ứng dụng đó, PSCs OFETs, PLED ứng dụng quan tâm nhiều sản phẫm điện tử tương lai có giá thành thấp, q trình gia cơng nhanh, sản phẩm điện tử có tính chất mềm dẻo Như vậy, việc nghiên cứu ứng dụng hệ polymer dẫn điện polythiophene lớp hoạt quang cấu trúc chuyển tiếp dị thể BHJ pin mặt trời OSC hướng cũng nhóm nghiên Trang 4/11 cứu giới tập trung nghiên cứu phát triển Qua nghiên cứu cũng đánh giá khai thác thêm tính chất tiềm hợp chất polymer dẫn điện khác Trong nghiên cứu nhóm tác giả tổng hợp loại polymer dẫn điện sở đơn vị mặt xích cho nhận điện tử bao gồm monome: 3-hexylthiophene, triphenylamine benzo[c]-1,2,5- thiadiazole Polymer dẫn điện tổng hợp thành công từ đơn vị monomer 3-hexylthiophene, triphenylamine benzo[c]-1,2,5- thiadiazole qua phản ứng polymer hóa ghép đơi Suzuki Polymer thu thể trọng lượng phân tử trung bình khối Mw= 44768 , số đa phân tán PDI 2.01 Bên cạnh tính chất nhiệt polymer đánh giá qua giản đồ DSC TGA, phân tích tính chất quang UV-Vis, PL Cuối đánh giá độ kết tinh polymer XRD Các kết phân tích cho thấy polymer dẫn P3HTBTTPA phù hợp cho việc chế tạo lớp hoạt quang pin mặt trời hữu chết polymer Tiếp theo, polymer dẫn điện tổng hợp sử dụng để chế tạo pin lượng mặt trời chất polymer với hiệu suất chuyển hóa quang điện 2% PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp nghiên cứu phương pháp đánh giá cấu trúc, tính chất khác tùy thuộc vào nội dung nghiên cứu thực Tổng hợp polythiophene biến tính sở monomer, 2,2'-(3hexylthiophene-2,5-diyl) bis (4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane), 4,7-dibromobenzo[c]-1,2,5-thiadiazole monomers tris(4- bromophenyl)amine (P3HTBTTPA)” thực theo phương pháp Trang 5/11 Suzuki Phổ FTIR, UV-vis, PL phổ 1H NMR sử dụng để phân tích cấu trúc, tính chất P3HTBTTPA Tổng hợp chất hoạt quang cấu trúc BHJ với chất nhận bis PCBM chất cho polyme dẫn P3HT P3HTBTTPA phương pháp khuấy trộn kèm theo thiêu kết mơi trường khí Ar Việc đánh giá cấu trúc, tính chất chất hoạt quang sử dụng phương pháp kính hiển vi quang học (OM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), UV-vis, phương pháp đo Hall Tế bào pin mặt trời hữu (OSC) đề tài nghiên cứu gồm hai loại P3HT/bis PCBM P3HTTBTPA/bis PCBM chế tạo kính phủ ITO sử dụng chủ yếu công nghệ tráng phủ màng công nghệ tạo điện cực bốc bay chân không Pin OSC trước chế tạo thiết kết cấu trúc nhằm đảm bảo đặc tính kỹ thuật pin khơng bị ảnh hưởng việc thực công nghệ chế tạo Công đoạn chế tạo lớp màng phía sau khơng ảnh hưởng đến cấu trúc tính chất lớp màng cơng đoạn phía trước Kích thước bề mặt lớp màng điện cực anode ITO, lớp truyền dẫn lỗ trống PEDOT:PSS, lớp hoạt quang polyme dẫn/PCBM, lớp điện cực cathode Al thiết kế chi tiết Chiều dày lớp hoạt quang BHJ quan trọng đặc tính pin OSC nên việc xác định chiều dày lớp hoạt quang cấu trúc BHJ polyme dẫn/PCBM nhóm tác giả sử dụng phần mềm mô GPVDM để xác định chiều dày tối ưu lớp nhằm đảm bảo yếu tố khả hấp thụ photon lớn nhất, giảm khả tái kết hợp exciton, lỗ trốn điện tử Đồng thời, chiều dày lớp họat quang BHJ khảo sát thực nghiệm từ 100 – 350nm để tìm kết qủa phù hợp việc thực công nghệ chế tạo phương pháp tráng quay Trang 6/11 Thông số kỹ thuật pin OSC xác định sở đường đặc tính IV phịng thí nghiệm nước nước Hệ thống đo lường đặc tính IV triển khai dựa theo tiêu chuẩn ASTM E927-10 Thơng qua đường đặc tính IV pin xác định thông số hiệu suất (), công suất lớn (Pmax), điện hở mạch (Voc), dòng ngắn mạch (Isc), điện trở nội nối tiếp (Rs), điện trở nội song song (Rp) Từ kết thông số kỹ thuật đánh giá chất lượng loại pin OSC chế tạo DANH MỤC CÁC KẾT QUẢ, SẢN PHẨM KHCN a) Sản phẩm Dạng I Số TT Tên sản phẩm Polymer Số Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu lượng Hoàn thành 5g - Độ tinh khiết  97% (1H P3HTBTTPA NMR) - Mn > 10.000 g/mol Tấm pin lượng mặt trời hữu sử -Hiệu suất (PCE): 2% 5% dụng lớp hoạt quang - Isc > 5(mA/cm2); Voc > 0,5 P3HT/bis PCBM Tấm pin lượng mặt trời hữu sử dụng lớp hoạt quang P3HTBTTPA/bis -Kích thước: 25mmx25mm (V); FF > 0,5 -Kích thước: 25mmx25mm - Hiệu suất > 2% - Isc > 7(mA/cm2); Voc > 0,5 (V); FF > 0,5 PCBM Trang 7/11 b) Sản phẩm Dạng IV: Số Tên sản phẩm TT Bài báo đăng tạp chí Số Số lượng, nơi cơng bố lượng (Tạp chí, nhà xuất bản) Chemistry Central Journal quốc tế: N-Benzoyl (2017), dithieno[3,2-b:2′,3′-d] https://doi.org/10.1186/s13065- pyrrole-based 017-0367-0 hyperbranched polymer`rs by direct arylation polymerization Bài báo đăng tạp chí khoa học quốc gia: Phát triển khoa học công nghệ Synthesis and characterization of thiacalix[3]triazine and 1,3,5-tris(4bromophenyl)benzene for chemsensor application c) Kết đào tạo Số Cấp đào tạo, Chuyên TT ngành đào tạo Đại học 19/06/2018 Thạc sỹ 12/01/2017 (Tương đương Thạc sĩ) Hỗ trợ đào tạo Tiến sỹ hỗ trợ báo Ghi Số lượng (Thời gian kết thúc) Trang 8/11 ĐÁNH GIÁ VỀ HIỆU QUẢ DO NHIỆM VỤ MANG LẠI a) Hiệu khoa học và công nghệ: Từ kết thực nội dung đề tài, nhóm nghiên cứu thu thành khoa học cơng nghệ có ý nghĩa lớn, cụ thể sau: - Có khả thiết kế tổng hợp polyme dẫn P3HTBTTPA nói riêng loại polyme dẫn có cấu dạng cho-nhận với độ rộng vùng cấm hẹp nói chung - Làm chủ quy trình thiết kế, mơ cơng nghệ chế tạo tế bào pin mặt hữu quy mơ Phịng Thí Nghiệm - Nắm vững phương pháp đo lường đánh giá chất lượng tế bào pin lượng mặt trời b) Hiệu kinh tế xã hội: - Việc làm chủ tổng hợp polyme dẫn cấu dạng cho-nhận với độ rộng vùng cấm hẹp sở cho việc ứng dụng loại vật liệu linh kiện sản phẩm công nghệ transistor, OLED, cảm biến khí, v.v mang lại ý nghĩa hiệu lớn cho xã hội - Thông qua việc thực đề tài hình thành đội ngũ cán có khả làm chủ quy trình thiết kế, mô công nghệ chế tạo tế bào pin mặt hữu cơ Đội ngũ có khả tiếp nhận phát triển công nghệ chế tạo tế bào pin lượng mặt trời hữu loại khác - Kết đề tài có phần ý nghĩa sở thúc đẩy việc nghiên cứu ứng dụng lượng mặt trời Việt Nam Trang 9/11 KẾT LUẬN Kết đạt được Đề tài hoàn thành nội dung đăng ký thuyết minh bao gồm: - Đã tổng hợp polythiophene biến tính sở monomer 2,2'(3-hexylthiophene-2,5-diyl)bis(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2dioxaborolane) tris(4-bromophenyl)amine (P3HTBTTPA) với độ tinh khiết  97% (1H NMR, Mn = 15.000 g/mol - Đã thực đánh giá cấu trúc tính chất polythiophene biến tính P3HTBTTPA - Đã tổng hợp đánh giá cấu trúc, tính chất chất hoạt quang cấu trúc BHJ với hai loại polyme dẫn P3HT P3HTBTTPA - Đã chế tạo pin OSC cấu trúc BHJ công nghệ spin-coating sử dụng lớp hoạt quang P3HT/bis PCBM P3HTTBTPA/bis PCBM phòng thí nghiệm nước nước ngồi - Đã thực đánh giá đặc tính kỹ thuật pin mặt trời OSC có lớp hoạt quang P3HT/bis PCBM (hiệu suất 2.3605%) pin OSC có lớp hoạt quang P3HTTBTPA/bis PCBM (hiệu suất 2.5931%) Các công bố và kết đào tạo - Đã đăng tạp chí Chemistry Central Journal (2017) thuộc tạp chí ISI với tên “N-Benzoyl dithieno[3,2-b:2′,3′-d] pyrrole-based hyperbranched polymers by direct arylation polymerization” https://doi.org/10.1186/s13065-017-0367-0 - Đã chấp nhận đăng báo nước với tên: “ Synthesis and characterization of thiacalix[3]triazine and 1,3,5-tris(4- Trang 10/11 bromophenyl)benzene for chemsensor application” thuộc tạp chí Phát triển khoa học công nghệ Đại học Quốc Gia Tp.HCM - Đã hoàn thành hướng dẫn luận văn 02 sinh viên đại học ngành Vật liệu ứng dụng, 02 sinh viên chương trình Đào tạo chất lượng cao Việt Pháp (tương đương Thạc Sĩ) hỗ trợ cho nghiên cứu sinh (bài báo) KIẾN NGHỊ - Để nâng cao hiệu suất chất lượng pin, nhóm nghiên cứu cần nghiên cứu thêm vật liệu lớp truyền dẫn lỗ trống, điện tử pin - Cần tối ưu thơng số quy trình cơng nghệ chế tạo pin OSC thực nghiệm, đặc biệt khảo sát chi tiết tỷ lệ chất donor acceptor - Phát triển công nghệ chế tạo pin lượng mặt trời hữu loại khác nhau, đặc biệt loại mềm dẻo - Hoàn thiện dây chuyền thiết bị nước đáp ứng công nghệ chế tạo pin mặt trời hữu nghiên cứu, nhằm thực quy trình chế tạo pin hữu nước với chất lượng đáp ứng yêu cầu - Với công việc thực hiện, khối lượng chất lượng sản phẩm hồn thành, nhóm nghiên cứu kiến nghị hội đồng cho phép nhóm nghiên cứu nghiệm thu đề tài Trang 11/11 PHỤ LỤC SẢN PHẨM ĐỀ TÀI Sản phẩm Dạng I a) Vật liệu “ Polymer 2,2'-(3-hexylthiophene-2,5-diyl) bis (4,4,5,5tetramethyl-1,3,2-dioxaborolane), 4,7-dibromobenzo[c]-1,2,5-thiadiazole monomers tris(4-bromophenyl)amine (P3HTBTTPA)” Số Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu Hoàn lượng thành C Sản phẩm polyme sau sấy để loại bỏ hết dung môi lưu trữ tủ lạnh Polymer 5g - Độ tinh khiết  97% (1H NMR) Hình 3.1Tên A Kếtphẩm tinh sản phẩm n-heptane lạnh – B Thu sản phẩm chạy soxhlet – sản P3HTBTTPA - Mn > 10.000 g/mol b) Tấm pin lượng mặt trời hữu sử dụng lớp hoạt quang P3HT/bis PCBM Số Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu Hoàn lượng thành Tấm pin lượng -Kích thước: 25mmx25mm mặt trời hữu sử -Hiệu suất (PCE): 2% 5% dụng lớp hoạt quang Isc > 5(mA/cm2);Voc > 0,5(V);FF > 0,5 P3HT/bis PCBM Tên sản phẩm c) Tấm pin lượng mặt trời hữu sử dụng lớp hoạt quang P3HTBTTPA/bis PCBM Số Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu Hoàn lượng thành Tấm pin lượng -Kích thước: 25mmx25mm mặt trời hữu sử - Hiệu suất > 2% dụng lớp hoạt quang - Isc > 7(mA/cm2); Voc > 0,5 (V); FF P3HTBTTPA/bis > 0,5 PCBM Tên sản phẩm Sản phẩm Dạng IV: a) Bài báo đăng tạp chí quốc tế: N-Benzoyl dithieno[3,2-b:2′,3′-d] pyrrole-based polymerization hyperbranched polymer`rs by direct arylation b) Bài báo đăng tạp chí khoa học quốc gia: Synthesis and characterization of thiacalix[3]triazine bromophenyl)benzene for chemsensor application and 1,3,5-tris(4- Kết đào tạo a) Đại học MSSV 1414103 1413929 Tên sinh viên Tên đề tài Nguyễn Thị Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng yếu tố Minh Trang môi trường đến hiệu suất pin lượng mặt trời Trần Nguyễn Nghiên cứu ảnh hưởng q trình Anh Thư thiêu kết đến tính chất hình thái lớp hoạt quang ứng dụng cho pin mặt trời hữu b) Thạc sỹ (chương trình Vật liệu tiên tiến – PFIEV) MSSV 61104048 V1101001 Tên sinh viên Tên đề tài Nguyễn Nhật Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng yếu tố Tuyên môi trường đến hiệu suất pin lượng mặt trời Trần Hoàng Khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp Hải hoạt quang đến tính chất pin mặt trời hữu cấu trúc BHJ c) Hỗ trợ đào tạo Tiến sỹ